تقاضا برای منابع برق و الکترونیک در طراحی خودروهای نوآورانه را می توان به شرح زیر خلاصه کرد: افزایش قدرت، بهبود بهره وری، کاهش نیاز به فضای،و افزایش قابلیت اطمینانبرای وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) ، کارایی برای کاهش "اضطراب محدوده" کاربران بسیار مهم است.ما نیاز داریم راه حل های قدرت فشرده و سبک را برای منابع برق پشتیبان و کمکی ارائه دهیممنابع برق کوچکتر چالش های بیشتری را به همراه دارد.از جمله نیاز به قابلیت های منزوی بیشتری برای جلوگیری از خرابی الکتریکی بین اجزای با فاصله نزدیک تر و کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI).
مبدل های قدرت پرواز به طور معمول در کاربردهای مختلف خودروهای الکتریکی با قدرت کم از جمله تولید قدرت کمکی ، مدیریت باتری و قدرت دروازه استفاده می شود. طراحی آن ساده تر است ،با تعداد کمتری از اجزای، در نتیجه کاهش اندازه، بهبود قابلیت اطمینان و کاهش هزینه ها. هسته یک منبع برق پرواز عقب ترانسفورماتور پرواز عقب است،که به طور معمول یکی از بزرگترین اجزای مورد نیاز برای پشتیبانی از عایق ولتاژ بالا است.
این مقاله اصل کار کنورترهای پرواز، اثرات induktansi و ظرفیت انگل و اهمیت اندازه قطعات و انزوا سیگنال را معرفی می کند. سپس،ترانسفورماتور برگشتی بورنز معرفی شد، و چگونگی کمک به حل بسیاری از مشکلات تامین برق خودرو توضیح داده شد.
مبدل Flyback
هسته یک کنورتر فلای بک یک ترانسفورماتور فلای بک است که انتقال قدرت و عزل بین دو طرف اصلی و ثانویه مدار کنورتر را فراهم می کند (شکل 1 ، بالا).این کنورتر می تواند ولتاژ منبع برق DC را بر اساس پیکربندی ترانسفورم flyback افزایش دهد یا کاهش دهدعلاوه بر یک ترانسفورماتور پرواز، مدار همچنین به یک سوئیچ جانبی اصلی (SW) (معمولا MOSFET) و یک اصلاح کننده / فیلتر ثانویه نیاز دارد.
نمودار ساده از اجزای اساسی کنورتر flyback
شکل 1: یک نمودار ساده از اجزای اساسی (شکل بالا) و اشکال موج عملیاتی مهم (شکل پایین) از یک تبدیل flyback نشان داده شده است. (منبع تصویر: بورنز اینک)
با قرار دادن Vgs در یک حالت سطح بالا (شکل 1 ، پایین) ، چرخه کار هنگامی که SW روشن می شود شروع می شود. هنگامی که سوئیچ بسته می شود ، ولتاژ اعمال شده بر استندور یک تابع مرحله است.محرک ها می توانند هر گونه تغییرات لحظه ای در جریان و ادغام ولتاژ مرحله ای اعمال شده را مقابله کننداین یک عملکرد رمپ ایجاد می کند، که در آن جریان در پیچ اصلی ترانسفورم flyback به دلیل تأثیر induktansi اولیه به طور خطی افزایش می یابد.به دلیل انحراف معکوس دیود صاف کننده (D)، هیچ جریان در ثانویه ترانسفورمور وجود ندارد. شکاف هوا در هسته ترانسفورمور flyback می تواند از اشباع در هنگام افزایش میدان مغناطیسی ترانسفورمور جلوگیری کند.
هنگامی که سوئیچ خاموش می شود (با بازگرداندن Vgs به حالت پایین) ، انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی ترانسفورمور از طریق دیود منحرف جلو به ثانویه منتقل می شود.شارژ کردن خروجی خازن (C2)جریان ثانویه به صورت خطی کاهش می یابد تا زمانی که انرژی میدان مغناطیسی از بین برود یا سوئیچ دوباره باز شود و چرخه بعدی آغاز شود.
یک ترانسفورماتور معمولی، مانند یک ترانسفورماتور در یک منبع برق خطی، به طور مداوم انرژی را از پیچ اصلی به پیچ ثانویه منتقل می کند.اصل کار یک ترانسفورماتور flyback بیشتر شبیه به یک جفت induktor متصل است، زیرا در طول چرخه کار به طور مداوم انرژی را انتقال نمی دهد.ولتاژ خروجی نیز می تواند با تغییر نسبت چرخش بین پیچ های اولیه و ثانویه تنظیم شوداین ترانسفورماتور همچنین جداسازی الکتریکی بین پیچیدگی های اولیه و ثانویه را فراهم می کند. علاوه بر این، از پیچیدگی های ثانویه متعدد نیز پشتیبانی می کند.که اجازه می دهد که کنورتر ولتاژ های متعدد را تولید کند.
اثرات انگل دار از کنورترهای پرواز
به عنوان یک مدار الکترونیکی معمولی، کنورترهای فلای بک تحت تأثیر استندنت و ظرفیت انگل هستند (شکل 2).
تصویر طرحی از تبدیل flyback
شکل 2: نمودار طرحی از کنورتر flyback نشان داده شده است، با سرخ برجسته شده ظرفیت انگل و جلب پذیری مربوط به اجزای کنورتر. (منبع تصویر: بورنز اینک)
محرک مغناطیسی (Lm) خاصیت محرک اصلی است که ذخیره انرژی ترانسفورماتورهای flyback را تعیین می کند.همچنین مربوط به ترانسفورماتورها است که حثیت نشت انگل (Llk) در سری با سوئیچ. وقتي سوئيچ قطع بشه، تلاش ميکنه که جريان اصلي رو حفظ کنه و ولتاژ رو در سوئيچ افزایش بدهاکثر کنورترهای flyback از مدارهای کلیمپ یا مدارهای بافر برای محافظت از سوئیچ ها از اثرات چنین ولتاژ های گذرا استفاده می کننداین اثر همچنین باعث افزایش تابش میدان مغناطیسی و تأثیر بر تداخل الکترومغناطیسی می شود.
طراحان ترانسفورم هر تلاشی را برای به حداقل رساندن انژکتور نشت انجام می دهند. روش اصلی افزایش اتصال بین پیچ های اصلی و ثانویه است. برای دستیابی به این هدف،لازم است فاصله بین پیچ ها را به حداقل برسانید و آنها را به صورت مرحله ای تنظیم کنید.
ظرفیت توزیع شده شامل ظرفیت اولیه (Cp) ، ظرفیت بین پیچ (Cps) ، ظرفیت ثانویه (Cs) ، ظرفیت خروجی ترانزیستور اثر میدان (Co) ،و ظرفیت دیود ثانویه (Cd)این خازن ها با استندورها تعامل دارند و یکپارچگی شکل موج سیگنال کنورتر را کاهش می دهند (شکل 3).
نمودار طرحی از تأثیر اجزای انگل مانند خازن ها و محرک ها بر شکل موج سوئیچ (برای بزرگ تر کردن کلیک کنید)
شکل 3: تاثیر اجزای انگل مانند خازن ها و محرک ها بر شکل موج سوئیچ نشان داده شده است. (منبع تصویر: Bourns Inc.)
شکل موج سوئیچ ترجیحاً یک پالس مستطیل بدون افزایش یا کاهش است.زمان تبدیل سریع این پالس مستطیل تضمین می کند که موج ولتاژ در صفر قبل از افزایش جریان استدر واقع، اثرات ظرفیت انگل و جلب کننده می تواند زمان تبدیل را کند کند و باعث افزایش، کاهش و نوسان فوری شود. علاوه بر این،به دلیل همپوشانی ولتاژ اولیه غیر صفر و موج های فعلی، زمان افزایش و سقوط آهسته تر باعث افزایش تلفات سوئیچ کنورتر می شود. این همپوشانی منجر به تلفات سوئیچ در سوئیچ های FET می شود و در نتیجه کارایی کنورتر را کاهش می دهد.کاهش قابل توجهی در بالای پالس ناشی از مقاومت بار و مقناطیسی است.
در هنگام طراحی یک ترانسفورماتور پرواز،تلاش باید برای نگه داشتن فرکانس خود-resonant دور از فرکانس سوئیچ کنورتر و کوتاه کردن سیم کشی بین سوئیچ و ترانسفورم flyback تا حد ممکن انجام شود.علاوه بر این، ظرفیت پیچیدگی نیز یک مسیر برای اتصال اجزای فرکانس بالا از سیگنال اصلی به خروجی را فراهم می کند.هرچه ظرفیت بین پیچ ها بیشتر باشدبرای رسیدن به عملکرد بهینه، باید در طراحی سازگاری ایجاد شود.از آنجا که اتصال پیچ سخت تر باعث کاهش حثیت نشت می شود اما همچنین ظرفیت پیچ بین را افزایش می دهداین جایی است که اهمیت تجربه طراحان ترانسفورماتور در آن نهفته است.
اندازه را کاهش دهید و سیگنال ها را جدا کنید
اجزای مورد استفاده در کاربردهای خودرو باید تا حد ممکن کوچک باشند.ابعاد فیزیکی قطعات توسط خواص مواد و ویژگی های فیزیکی عملکرد قطعات تعیین می شوند.برای ترانسفورماتورهای پرواز، فاصله ی میان هادی ها باید برای تحمل ولتاژ عملیاتی اوج و آزمایش ولتاژ مورد نیاز برای صدور گواهینامه استاندارد کافی باشد.مشخصات کلیدی مربوط به شکستن ولتاژ فاصله شکاف و کششی است (شکل 4).